骨骼疾病巨噬細(xì)胞與破骨細(xì)胞交互作用的研究進(jìn)展△

吳亞洲，陳威，趙海燕，2，王文己，2*

（1.蘭州大學(xué)第一臨床醫(yī)學(xué)院，甘肅蘭州 730000；2.蘭州大學(xué)第一醫(yī)院骨科，甘肅蘭州 730000）

“骨免疫學(xué)”一詞由Arron 和Choi［1］在2000 年首次提出，強(qiáng)調(diào)骨骼系統(tǒng)和免疫系統(tǒng)之間存在復(fù)雜的相互作用。骨免疫學(xué)主要研究免疫細(xì)胞和骨細(xì)胞系相互作用的機(jī)制。免疫細(xì)胞和破骨細(xì)胞均起源于骨髓，已有證據(jù)表明，破骨細(xì)胞既可以從骨髓造血干細(xì)胞分化而來(lái)，也可以從巨噬細(xì)胞分化而來(lái)［2］。巨噬細(xì)胞幾乎存在于所有組織中，可以清除入侵病原體或感染、死亡細(xì)胞和碎片并協(xié)調(diào)炎癥反應(yīng)，破骨細(xì)胞是人體唯一的骨吸收細(xì)胞，對(duì)骨骼系統(tǒng)的重塑起著至關(guān)重要的作用［3］。破骨細(xì)胞來(lái)源于單核細(xì)胞/巨噬細(xì)胞譜系，眾多研究表明巨噬細(xì)胞和破骨細(xì)胞的相互作用在骨骼疾病的發(fā)生發(fā)展起重要作用［4］。本文就近年來(lái)關(guān)于巨噬細(xì)胞與破骨細(xì)胞相互作用調(diào)控骨骼疾病的研究進(jìn)行綜述。

1 巨噬細(xì)胞

巨噬細(xì)胞是單核髓系免疫細(xì)胞，存在于全身組織器官中，具有吞噬殺菌、參與炎癥反應(yīng)、加工提呈抗原和免疫調(diào)節(jié)等多種功能。巨噬細(xì)胞有駐留和游走兩類，其中骨駐留組織巨噬細(xì)胞被稱為骨巨噬細(xì)胞，主要位于成骨細(xì)胞附近，骨巨噬細(xì)胞可能通過(guò)清除凋亡骨細(xì)胞來(lái)和促進(jìn)成骨細(xì)胞礦物質(zhì)沉積對(duì)成骨發(fā)揮要作用。游走巨噬細(xì)胞廣泛分布于結(jié)締組織中，具有很強(qiáng)的變形運(yùn)動(dòng)及識(shí)別吞噬和殺傷清除病原體等抗原性異物的能力。一般來(lái)說(shuō)，原代巨噬細(xì)胞可通過(guò)經(jīng)典活化途徑分化為M1 型，通過(guò)旁路活化途徑分化為M2型［5］。M1 巨噬細(xì)胞是由脂多糖（lipopolysaccharide,LPS）或Th1 細(xì)胞相關(guān)細(xì)胞因子如IFN-γ 激活的促炎癥細(xì)胞，M2 巨噬細(xì)胞是由Th2 細(xì)胞相關(guān)細(xì)胞因子如IL-4 和IL-13 激活的抗炎巨噬細(xì)胞。

2 破骨細(xì)胞

自1873 年破骨細(xì)胞被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，人們提出了各種解釋破骨細(xì)胞起源的理論［6］。研究證明，破骨細(xì)胞既可以由單核-巨噬細(xì)胞前體細(xì)胞形成，也可以由組織中的成熟巨噬細(xì)胞形成。成熟破骨細(xì)胞是由造血來(lái)源的髓系前體細(xì)胞衍生而來(lái)的多核巨細(xì)胞。破骨細(xì)胞由髓系前體細(xì)胞融合而成，通過(guò)產(chǎn)生溶酶體酶如抗酒石酸酸性磷酸酶（tartrate resistant acid phosphatase, TRAP）和組織蛋白酶k （cathepsin K, CTSK）來(lái)清除礦化骨基質(zhì)，其主要作用是骨吸收［7］，此外可分泌IL-1β、TNF-α、IL-6 及血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子（vascular endothelial growth factor,VEGF）等細(xì)胞因子和生長(zhǎng)因子，參與成骨細(xì)胞形成的正負(fù)向調(diào)節(jié)、血管生成、神經(jīng)支配、腫瘤轉(zhuǎn)移以及免疫調(diào)控等，在骨穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮重要作用［8］。此外，M1 巨噬細(xì)胞釋放的細(xì)胞因子如TNF-α、IL-6、IL-1β 可促進(jìn)破骨細(xì)胞的骨吸收活性，而M2 巨噬細(xì)胞相關(guān)細(xì)胞因子如IL-4、IL-10 可通過(guò)抑制活化T 細(xì)胞核因子1 （nuclear factor of activated T-cells cytoplasmic 1,NFA Tc1）抑制破骨細(xì)胞的活性和增殖能力?？紤]到巨噬細(xì)胞和破骨細(xì)胞在骨重塑中的不同作用，這兩種細(xì)胞在分化和功能方面的平衡尤為重要。

3 巨噬細(xì)胞-破骨細(xì)胞軸

骨免疫參與調(diào)節(jié)骨重塑和吸收的平衡，對(duì)于維持正常的骨形態(tài)至關(guān)重要。骨髓或關(guān)節(jié)腔內(nèi)免疫細(xì)胞與破骨細(xì)胞的相互作用是骨免疫的基礎(chǔ)，其中巨噬細(xì)胞-破骨細(xì)胞軸起著至關(guān)重要的作用。單核細(xì)胞或組織特異性巨噬細(xì)胞（存在于組織中的巨噬細(xì)胞）是炎癥和免疫環(huán)境中破骨細(xì)胞的重要來(lái)源。闡明巨噬破骨細(xì)胞軸在骨免疫中的作用對(duì)于研究或治療炎癥和免疫疾病引起的骨損傷具有重要意義［9］。

4 巨噬細(xì)胞與破骨細(xì)胞對(duì)骨骼疾病的調(diào)控

4.1 人工關(guān)節(jié)假體周圍骨溶解

骨關(guān)節(jié)炎（osteoarthritis,OA）是最常見(jiàn)的關(guān)節(jié)疾病，患者發(fā)病時(shí)大多已處于疾病終末期［10］，全關(guān)節(jié)置換術(shù)是治療各種終末期關(guān)節(jié)疾病最成功的方法之一。已有研究表明，假體的磨損顆?？赡苷T發(fā)假體周圍炎癥，從而導(dǎo)致的假體周圍骨溶解和無(wú)菌性松動(dòng)是影響關(guān)節(jié)置換術(shù)后生活質(zhì)量和進(jìn)行翻修手術(shù)的重要原因［11，12］。最近有研究表明，巨噬細(xì)胞分泌炎癥細(xì)胞因子并分化為破骨細(xì)胞促進(jìn)骨溶解，也可以被周圍組織的各種信號(hào)誘導(dǎo)發(fā)生不同的極化從而影響假體周圍骨溶解的發(fā)生［13］，這提示作者可以通過(guò)調(diào)節(jié)巨噬細(xì)胞的極化來(lái)緩解假體周圍骨溶解。巨噬細(xì)胞在接觸磨損顆粒時(shí)通過(guò)各種表型分泌包括細(xì)胞因子和趨化因子在內(nèi)的免疫調(diào)節(jié)因子，M1 巨噬細(xì)胞被認(rèn)為是促炎亞型，可刺激促炎細(xì)胞因子如IL-6 和TNF-α 的表達(dá)，從而促進(jìn)炎癥反應(yīng)。而M2 巨噬細(xì)胞具有抗炎活性和促進(jìn)傷口愈合作用［14］。雖然在骨溶解引起的骨穩(wěn)態(tài)失調(diào)中，破骨細(xì)胞介導(dǎo)骨吸收作用占主導(dǎo)地位，但通過(guò)成骨細(xì)胞介導(dǎo)的骨再生和骨免疫調(diào)節(jié)的作用也很重要。M2 巨噬細(xì)胞通過(guò)分泌細(xì)胞因子如VEGF 和骨形態(tài)發(fā)生蛋白-2 （bone morphogenetic protein-2, BMP-2）促進(jìn)骨整合和血管生成［15］，所以促進(jìn)巨噬細(xì)胞向M2 表型極化，可以創(chuàng)造有利于成骨的免疫調(diào)節(jié)環(huán)境［16］。

上述設(shè)想可借助生物材料實(shí)現(xiàn)，通過(guò)生物材料介導(dǎo)免疫應(yīng)答調(diào)節(jié)在骨再生中的關(guān)鍵事件，如成骨、破骨和炎癥，已有人進(jìn)行了嘗試。研究人員發(fā)現(xiàn)藏紅花素在鈦（Ti）顆粒誘導(dǎo)的假體周圍炎癥和骨溶解中發(fā)揮了免疫調(diào)節(jié)作用，體外和體內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明藏紅花素誘導(dǎo)M2 巨噬細(xì)胞極化，刺激抗炎細(xì)胞因子和成骨細(xì)胞因子的分泌，分別抑制炎癥反應(yīng)和增強(qiáng)骨整合，這些作用可能是通過(guò)抑制p38 和JNK 信號(hào)通路介導(dǎo)的。這顯示了其在預(yù)防磨損顆粒誘導(dǎo)的骨溶解方面的治療潛力［17］。

綜上所述，調(diào)節(jié)巨噬細(xì)胞極化是潛在的有效策略，可以緩解磨損顆粒誘導(dǎo)的骨溶解，并通過(guò)增強(qiáng)骨形成維持骨穩(wěn)態(tài)［18］。

4.2 骨折愈合

骨折愈合（fracture healing）是一個(gè)相對(duì)高效的過(guò)程，特別是健康人的骨骼具有顯著的自我修復(fù)能力，但是仍有10%的骨折患者有骨折不愈合或延遲愈合的情況出現(xiàn)［19］。在骨折時(shí)或骨折發(fā)生后，骨折斷端周圍的血管破裂并釋放血液進(jìn)入損傷部位形成血腫，此時(shí)免疫細(xì)胞、中性粒細(xì)胞、巨噬細(xì)胞和淋巴細(xì)胞浸潤(rùn)組織，釋放多種生長(zhǎng)因子和細(xì)胞因子［20，21］。巨噬細(xì)胞可以在骨骼重塑過(guò)程中幫助骨折愈合，在骨折愈合炎性階段的主要任務(wù)是清除碎片和防御可能的病原體［22，23］，M1 巨噬細(xì)胞主要對(duì)各種生物體的感染做出反應(yīng)，M2 巨噬細(xì)胞主要參與組織再生。這兩種巨噬細(xì)胞都在骨折愈合中發(fā)揮作用，他們受到損傷組織趨化因子CXCL12 表達(dá)的吸引，這一過(guò)程被TNFα增強(qiáng)［23］。破骨細(xì)胞在骨折修復(fù)中也扮演重要角色［24］，在骨折的炎癥階段之后，破骨細(xì)胞被招募到部分被再吸收的較小碎骨片中，碎骨片被修飾并納入骨痂，但這種再吸收是否有助于破骨細(xì)胞保存在生長(zhǎng)中的骨痂尚不清楚。愈合過(guò)程接近結(jié)束時(shí)破骨細(xì)胞再次被誘導(dǎo)，破骨細(xì)胞重塑硬骨痂，并將骨骼恢復(fù)到與受傷前相近的大?。?5］，這對(duì)愈合后的骨折斷端能否恢復(fù)正常的功能至關(guān)重要。而在骨折愈合的整個(gè)過(guò)程中，巨噬細(xì)胞可以調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)核因子κB 配體受體激活劑（receptor activator of nuclear factor- κ B ligand,RANKL）誘導(dǎo)的破骨細(xì)胞生成，RANKL 的表達(dá)受到破骨因子的刺激，包括1,25-二羥維生素D3、甲狀旁腺激素（parathyroid hormone,PTH）、前列腺素E2（dinoprostone,PGE2）和促炎細(xì)胞因子TNF-α、IL-1和IL-6。然而，由活化的T 細(xì)胞和巨噬細(xì)胞分泌的IFN-γ 可通過(guò)隨后的腫瘤壞死因子受體相關(guān)因子6（tumor necrosis factor receptor- associated factor 6,TRAF6）快速降解抑制破骨細(xì)胞生成。因此，巨噬細(xì)胞通過(guò)分泌TNF-α、IL-1、IL-6 和IFN-γ 促進(jìn)或抑制破骨細(xì)胞活性。這提示可以從調(diào)節(jié)骨免疫的角度干預(yù)骨折愈合的進(jìn)程［26］。

4.3 骨質(zhì)疏松癥

骨質(zhì)疏松癥（osteoporosis,OP）是骨科最常見(jiàn)的疾病之一，截至2020 年全球約有2 億人患有骨質(zhì)疏松，且每年有900 萬(wàn)人發(fā)生由骨質(zhì)疏松導(dǎo)致的骨折［27］。骨質(zhì)疏松癥是以持續(xù)性的骨質(zhì)流失導(dǎo)致骨骼強(qiáng)度下降為特征的骨骼疾病，它會(huì)使患者髖部、脊柱及其他部位骨骼骨折的風(fēng)險(xiǎn)增高［28］。由于骨質(zhì)流失是隱匿發(fā)生的，通?；颊咴诎l(fā)生第1 次骨折后才被診斷出骨質(zhì)疏松癥。傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為，包括絕經(jīng)期或雌激素缺乏在內(nèi)的各種原因造成的骨形成和骨吸收之間的失衡導(dǎo)致了骨質(zhì)疏松的發(fā)生［29］，最新研究發(fā)現(xiàn)，骨免疫在骨質(zhì)疏松的發(fā)病中扮演重要的角色。破骨細(xì)胞前體細(xì)胞包括單核-巨噬細(xì)胞，樹(shù)突狀細(xì)胞，破骨細(xì)胞前體細(xì)胞向完全激活的多核破骨細(xì)胞的分化關(guān)鍵取決于RANKL 的存在和巨噬細(xì)胞集落刺激因子（MCSF）的允許作用。RANKL 在成骨細(xì)胞、骨髓基質(zhì)細(xì)胞、T 淋巴細(xì)胞和B 淋巴細(xì)胞中大量表達(dá)，并激活破骨細(xì)胞上表達(dá)的RANK 受體。RANK-RANKL 表達(dá)后，一些關(guān)鍵的調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄因子和酶表達(dá)增多，以促進(jìn)破骨細(xì)胞的分化、增殖、多核、激活和存活［30］，最后破骨細(xì)胞前體細(xì)胞融合形成TRAP 陽(yáng)性的破骨細(xì)胞［31］。因此，活躍的破骨細(xì)胞使得骨小梁表面皮質(zhì)疏松和骨吸收面積增大，繼而形成豪息潑氏陷窩（Howship's lacuna）和骨小梁稀疏，導(dǎo)致骨量丟失和脆性增加最終發(fā)生骨質(zhì)疏松。巨噬細(xì)胞也是骨骼重塑和骨修復(fù)的重要參與者［28］，骨髓中的造血干細(xì)胞（hemopoietic stem cell,HSC）在Th1 細(xì)胞因子如IFNγ 或TNF-α 等的作用下分化為M1 型巨噬細(xì)胞，在Th2 細(xì)胞因子如IL-4 或IL-13 等的作用下分化為M2型巨噬細(xì)胞。M1 型巨噬細(xì)胞可分泌炎性因子IL-1、IL-6 及IL-23，促進(jìn)一氧化氮合酶（inducible nitric oxide synthase,iNOS）的表達(dá)，發(fā)揮促炎性功能；M2型巨噬細(xì)胞分泌炎癥調(diào)節(jié)因子IL-10、TGF-β，使精氨酸酶1（arginise-1,ARG1）表達(dá)增加，負(fù)向調(diào)節(jié)破骨細(xì)胞分化［33］。綜上，破骨細(xì)胞活躍是骨質(zhì)疏松發(fā)生的主要原因，巨噬細(xì)胞在其中扮演重要的角色，并且彼此之間有調(diào)控作用，這或許是治療骨質(zhì)疏松癥的新思路［34］。

4.4 類風(fēng)濕性骨關(guān)節(jié)炎

類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎（rheumatoid arthritis,RA）是以持續(xù)的系統(tǒng)性炎癥和關(guān)節(jié)損傷為特征的自身免疫性慢性炎癥性關(guān)節(jié)疾病。RA 的損傷主要是破骨細(xì)胞過(guò)度活躍引起的骨穩(wěn)態(tài)失衡所導(dǎo)致［35］，破骨細(xì)胞是唯一的骨吸收細(xì)胞，它的過(guò)度激活是骨質(zhì)破壞的罪魁禍?zhǔn)住９俏丈婕懊撯}和蛋白質(zhì)降解過(guò)程，這是由蛋白質(zhì)和基質(zhì)降解酶介導(dǎo)的，如組織蛋白酶K 和基質(zhì)金屬蛋白酶（matrix metalloproteinase,MMP），它們來(lái)源于破骨細(xì)胞。此外，破骨細(xì)胞分化依賴于M-CSF、RANKL 以及免疫球蛋白樣受體（包括破骨細(xì)胞相關(guān)受體）誘導(dǎo)的共刺激信號(hào)［36］。在關(guān)節(jié)發(fā)生炎癥時(shí)，關(guān)節(jié)炎癥部位的淋巴細(xì)胞和成纖維細(xì)胞分泌RANKL，與破骨細(xì)胞前體或成熟破骨細(xì)胞上表達(dá)的RANK 結(jié)合，從而促進(jìn)破骨細(xì)胞分化和激活［37，38］。研究發(fā)現(xiàn)，IL-7/IL-7R 通路在RA 產(chǎn)生的炎癥反應(yīng)中扮演重要角色，同時(shí)單核細(xì)胞/巨噬細(xì)胞（破骨細(xì)胞前體）被認(rèn)為是RA 患者破骨細(xì)胞過(guò)度活躍的重要原因［39，40］。IL-7/IL-7R 通路在破骨細(xì)胞分化中起重要作用，一方面IL-7 通過(guò)STAT5 信號(hào)通路直接抑制破骨細(xì)胞的形成；另一方面，IL-7 增強(qiáng)T 細(xì)胞中RANKL 的表達(dá)間接促進(jìn)破骨細(xì)胞的形成。在正常的骨免疫條件下，IL-7 和IL-7R 信號(hào)對(duì)破骨細(xì)胞分化的雙重作用之間存在平衡，然而這種平衡在RA 等疾病中被打破了，這提示IL-7/IL-7R 通路可能是一種治療RA 的潛在靶點(diǎn)［41］。

5 小 結(jié)

骨免疫是一個(gè)跨學(xué)科領(lǐng)域，主要涉及免疫學(xué)和骨相關(guān)知識(shí)。破骨細(xì)胞是已知唯一具有骨吸收能力的細(xì)胞，它是由巨噬細(xì)胞或骨髓中造血干細(xì)胞分化形成的。巨噬細(xì)胞和破骨細(xì)胞的相互作用在骨免疫中起著重要作用，可以調(diào)節(jié)骨生成和骨吸收的平衡。遺憾的是，目前對(duì)巨噬細(xì)胞和破骨細(xì)胞的研究還集中在體外細(xì)胞實(shí)驗(yàn)，很少有體內(nèi)研究能證明單核-巨噬細(xì)胞在炎癥性關(guān)節(jié)炎的發(fā)病中發(fā)揮作用［42］。眾所周知，體內(nèi)巨噬細(xì)胞和破骨細(xì)胞分化或活化的機(jī)制非常復(fù)雜，簡(jiǎn)單的體外實(shí)驗(yàn)無(wú)法反映其本質(zhì)。此外，巨噬細(xì)胞亞型（M1 和M2）分化為破骨細(xì)胞的過(guò)程及時(shí)機(jī)尚不清楚，這些都還需要研究。因此，有必要進(jìn)行深入的體內(nèi)研究以闡明巨噬細(xì)胞和破骨細(xì)胞相互作用的關(guān)系在骨免疫中的作用。

本文綜述了巨噬細(xì)胞和破骨細(xì)胞的相互作用在人工關(guān)節(jié)假體周圍骨溶解、骨折愈合、骨質(zhì)疏松癥和RA 等疾病發(fā)生發(fā)展中的作用，目前在骨骼相關(guān)疾病的治療中，仍沒(méi)有針對(duì)巨噬細(xì)胞和破骨細(xì)胞的治療方法，推測(cè)靶向控制巨噬細(xì)胞極化和抑制或促進(jìn)破骨細(xì)胞分化可能是治療相關(guān)疾病的有效手段。